Principio di tenuta degli O-ring
Un O-ring, noto anche come anello torico, è un anello di gomma con una sezione trasversale circolare. È la guarnizione più utilizzata nei sistemi idraulici e pneumatici. Gli O-ring offrono eccellenti proprietà di tenuta e possono essere utilizzati sia per guarnizioni statiche che alternative. Possono essere utilizzati indipendentemente e sono un componente fondamentale di molti sistemi di tenuta modulari. Hanno una vasta gamma di applicazioni. Se il materiale è selezionato correttamente, possono soddisfare i requisiti di varie condizioni operative. Le pressioni operative variano da un vuoto di 1,333 × 10⁵Pa a un'alta pressione di 400 MPa e le temperature variano da -60°C a 200°C.
Rispetto ad altri tipi di guarnizioni, gli O-ring presentano i seguenti vantaggi:
1) Dimensioni ridotte e facile montaggio e smontaggio.
2) Possono essere utilizzati sia per la tenuta statica che dinamica, con praticamente nessuna perdita se utilizzati come guarnizione statica.
3) Un singolo O-ring fornisce una tenuta bidirezionale.
4) Basso attrito dinamico.
L'O-ring è un tipo di guarnizione a estrusione. Il suo principio di funzionamento di base si basa sulla deformazione elastica dell'elemento di tenuta, creando una pressione di contatto sulla superficie di tenuta. Se la pressione di contatto supera la pressione interna del mezzo sigillato, si verificherà una perdita; altrimenti, si verificherà una perdita. Le cause e i metodi di calcolo della pressione di contatto sulla superficie di tenuta differiscono per le guarnizioni statiche e dinamiche e richiedono spiegazioni separate.
1. Principio di tenuta per guarnizioni statiche
Gli O-ring sono i più utilizzati nelle guarnizioni statiche. Se progettati e utilizzati correttamente, gli O-ring possono ottenere una tenuta assoluta e senza perdite.
Dopo che un O-ring è stato installato in una scanalatura di tenuta, la sua sezione trasversale subisce una sollecitazione di compressione a contatto, causando una deformazione elastica. Questo genera una certa pressione di contatto iniziale Po sulla superficie di contatto. Anche senza o con una pressione molto bassa, l'O-ring mantiene la tenuta grazie alla sua forza elastica. Quando il mezzo pressurizzato entra nella camera, l'O-ring si sposta verso il lato a pressione inferiore sotto l'influenza della pressione del mezzo, aumentando ulteriormente la sua deformazione elastica per riempire e chiudere il gap δ. A questo punto, la pressione di contatto sulle superfici di accoppiamento della coppia di tenuta sale a Pm:
Pm=Po+Pp
Dove Pp è la pressione di contatto trasmessa alla superficie di contatto attraverso l'O-ring (0,1 MPa).
Pp=K·P
K è il coefficiente di trasmissione della pressione, con K=1 per gli O-ring in gomma;
P è la pressione del fluido sigillato (0,1 MPa).
Questo migliora notevolmente l'effetto di tenuta. Poiché K è generalmente ≥ 1, Pm>P. Pertanto, fintanto che c'è una pressione iniziale sull'O-ring, può ottenere una tenuta assoluta e senza perdite. Questa proprietà dell'O-ring, che si basa sulla pressione del mezzo stesso per cambiare lo stato di contatto dell'O-ring e ottenere una tenuta, è chiamata autosigillatura.
Teoricamente, anche se la deformazione da compressione è zero, può ancora sigillare sotto pressione dell'olio. Tuttavia, in pratica, gli O-ring possono essere eccentrici durante l'installazione. Pertanto, dopo che l'O-ring è stato installato nella scanalatura di tenuta, la sua sezione trasversale subisce generalmente una deformazione da compressione del 7%-30%. Un rapporto di compressione più elevato viene utilizzato per le guarnizioni statiche, mentre un rapporto di compressione inferiore viene utilizzato per le guarnizioni dinamiche. Questo perché la gomma sintetica si comprime a basse temperature, quindi la pre-compressione degli O-ring statici dovrebbe tenere conto del suo restringimento a bassa temperatura.
2. Principi di tenuta per guarnizioni a movimento alternativo
Le guarnizioni a movimento alternativo sono un requisito di tenuta comune nei componenti e sistemi idraulici e pneumatici. Le guarnizioni a movimento alternativo sono utilizzate nei pistoni e nei corpi cilindro dei cilindri di potenza, nell'interposizione pistone-cilindro e nelle testate dei cilindri e in vari tipi di valvole a scorrimento. Si forma un gap tra un'asta cilindrica e un foro cilindrico, all'interno del quale l'asta si muove assialmente. La guarnizione limita la perdita assiale del fluido. Se utilizzato come guarnizione a movimento alternativo, le proprietà di pre-tenuta e autosigillatura dell'O-ring sono simili a quelle delle guarnizioni statiche. Inoltre, grazie alla sua elasticità intrinseca, l'O-ring può compensare automaticamente l'usura. Tuttavia, quando si sigillano mezzi liquidi, la situazione è più complessa rispetto alle guarnizioni statiche a causa dell'influenza della velocità dell'asta, della pressione del liquido e della viscosità.
Quando i liquidi sono sotto pressione, le molecole liquide interagiscono con la superficie metallica. Le molecole polari nell'olio si allineano strettamente e uniformemente sulla superficie metallica, formando una forte pellicola di confine tra la superficie scorrevole e la guarnizione, che esercita una forte adesione sulla superficie scorrevole. Questa pellicola liquida esiste sempre tra la guarnizione e la superficie alternativa, fornendo un certo grado di tenuta e fondamentale per la lubrificazione della superficie di tenuta in movimento. Tuttavia, è dannosa per le perdite. Quando l'albero alternativo viene tirato verso l'esterno, la pellicola liquida sull'albero viene trascinata con esso. A causa dell'azione di "pulizia" della guarnizione, quando l'albero alternativo si ritrae, questa pellicola liquida viene trattenuta all'esterno dall'elemento di tenuta. Man mano che aumenta il numero di corse alternative, viene trattenuto più liquido all'esterno, formando alla fine goccioline di olio, che rappresentano perdite nelle guarnizioni alternative. Poiché la viscosità dell'olio idraulico diminuisce con l'aumentare della temperatura, lo spessore del film di olio diminuisce di conseguenza. Pertanto, quando l'apparecchiatura idraulica viene avviata a basse temperature, le perdite sono maggiori all'inizio del movimento. Man mano che la temperatura aumenta a causa di varie perdite durante il movimento, le perdite tendono a diminuire gradualmente.
Gli O-ring, come guarnizioni alternative, sono compatti e di piccole dimensioni e vengono utilizzati principalmente in:
1) Componenti idraulici a bassa pressione, generalmente limitati a corse brevi e pressioni medie intorno a 10 MPa.
2) Valvole a spola idrauliche a diametro ridotto, corsa breve e pressione media.
3) Valvole a spola e cilindri pneumatici.
4) Come elastomeri in guarnizioni alternative combinate.
Gli O-ring sono più adatti come guarnizioni alternative per diametri ridotti, corse brevi e pressioni da basse a medie, come nei componenti alternativi come cilindri pneumatici e valvole a spola. Nei componenti idraulici, l'uso di O-ring come guarnizioni dinamiche primarie è generalmente limitato a corse brevi e pressioni da medie a basse intorno a 10 MPa. Gli O-ring non sono adatti per guarnizioni alternative a bassissima velocità o come unica guarnizione per applicazioni alternative ad alta pressione. Ciò è dovuto principalmente all'alto attrito in queste condizioni, che può portare a un guasto prematuro della guarnizione. In qualsiasi applicazione, la guarnizione deve essere utilizzata in base ai suoi dati nominali o alla sua capacità e assemblata correttamente per ottenere prestazioni soddisfacenti.
3. Guarnizioni rotanti
Le tenute ad olio e le tenute meccaniche sono comunemente utilizzate per le guarnizioni rotanti. Tuttavia, le tenute ad olio funzionano a pressioni inferiori e sono più grandi, più complesse e meno producibili degli O-ring. Mentre le tenute meccaniche possono funzionare ad alte pressioni (40 MPa), alte velocità (50 m/s) e alte temperature (400°C), la loro struttura più complessa e ingombrante e l'alto costo le rendono adatte solo per macchinari pesanti nelle industrie petrolifere e chimiche.
Il problema principale con gli O-ring per applicazioni rotanti è il riscaldamento Joule. Questo calore di attrito generato nel punto di contatto tra l'albero rotante ad alta velocità e l'O-ring fa aumentare continuamente la temperatura di questi punti di contatto, deformando gravemente il materiale in gomma e causando cambiamenti nella compressione e nell'allungamento. Questo calore accelera anche l'invecchiamento del materiale di tenuta, riducendo la durata dell'O-ring. Distrugge anche il film di olio di tenuta, causando la rottura dell'olio e accelerando l'usura della guarnizione.
Sulla base della situazione di cui sopra, negli ultimi anni sono state condotte ricerche approfondite e approfondite sia a livello nazionale che internazionale sugli O-ring per il movimento rotatorio. Per evitare il riscaldamento Joule, la chiave sta nella corretta selezione dei parametri strutturali dell'O-ring in base alle proprietà della gomma, principalmente l'allungamento e il rapporto di compressione dell'O-ring. Studi sperimentali hanno dimostrato che gli O-ring per il movimento rotatorio dovrebbero essere progettati con un diametro interno uguale o leggermente superiore al diametro dell'albero rotante, in genere dal 3% al 5% più grande. Durante l'installazione, l'O-ring viene compresso dal diametro interno verso l'interno e la compressione della sezione trasversale è progettata per essere minima, in genere intorno al 5%. Inoltre, vengono utilizzati materiali di tenuta con un impatto termico minimo, ove possibile, e viene data un'adeguata considerazione alla dissipazione del calore nel sito di installazione dell'O-ring. Ciò migliora significativamente le prestazioni degli O-ring, consentendo la loro applicazione nella tenuta di alberi rotanti con velocità fino a 4 m/s.
Recentemente, sono emersi fluorogomma resistente al calore e gomma poliuretanica resistente all'usura e, con una comprensione più profonda dell'effetto del riscaldamento Joule nei componenti in gomma, sono state sviluppate soluzioni per affrontare questo problema, portando alla progettazione di nuove strutture di tenuta ad O-ring più adatte al movimento rotatorio ad alta velocità e alta pressione.
Gli O-ring sono ampiamente utilizzati nei dispositivi di tenuta a movimento rotatorio grazie alle loro dimensioni ridotte, alla struttura semplice, al basso costo, alle buone prestazioni di processo e all'ampia gamma di applicazioni.